Artikel in Deutsche Milchwirtschaft

Reinigung von Membran-Filtrationsanlagen in Zusammenarbeit mit dem Membranhersteller Koch Membrane Systems und deren speziell auf Membranen abgestimmten Reinigungsmitteln

Filtrationsanlagen gewinnen eine immer höhere Bedeutung im Bereich der Milchwirtschaft und werden in vielen Milch verarbeitenden Betrieben eingesetzt.

Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz einer Membranfiltrationsanlage ist die richtige Reinigung. Eine Membranreinigung wird vor allem über den Wasser-Fluxwert beurteilt. Der Wasser-Fluxwert stellt in einem Zahlenwert die Filtrationsleistung/qm bei 20°C und definiertem Filtrationsdruck dar. Über den Fluxwert wird die Qualität der Membranreinigung als Trend feststellbar.

Bei kontinuierlicher Verschlechterung des Fluxwertes ist erkennbar, dass der Reinigungsprozess der Membranen nicht zufriedenstellend ist. Aus diesem Grund wird nach jeder Reinigung der Wasser-Fluxwert ermittelt.

Zur Ermittlung des Wasser-Fluxwertes sind folgende Parameter notwendig:

  • Die Summe der Gesamtfiltrationsfläche (ergibt mit dem Gesamtdurchfluß den nicht korrigierten Wasser Flux)
  • Die Temperatur während des Wasser-Flux Testes (ergibt den Z- Faktor)
  • Der Filtrationsdruck (P ein)
  • Der Permeat Austrittsdruck (P aus)

Die entsprechende Formel lautet:

Wasser Flux =        Flux unkorrigiert  x  7,1  x  Z   
P ein + P aus

Eine schlecht gereinigte Membran ist nicht gleichbedeutend mit einer bakteriologisch auffälligen Membran. Eine ungenügend gereinigte Membran bedeutet aber immer eine Verringerung der anlagenspezifischen Filtrationskapazität und somit bezogen auf den Membranlebenszyklus ein Nichterreichen der Gesamtfiltrationsleistung.

Daher ist eine richtige Membranreinigung wichtig.

1. Festlegen der Reinigungsparameter:

Das Membrandatenblatt zeigt die Grenzwerte für die Reinigung an. Diese wären:

  • pH - Wert, Temperatur, Druck und Beständigkeit gegen Oxidationsmittel. Der pH - Wert gibt an, in wie weit über Alkalität und Acidität gereinigt werden kann. Bei Membranen mit hoher pH Toleranz kann stellenweise mit rein alkalischer und saurer Reinigung ein gutes Reinigungsergebnis erzielt werden.Die meisten aktuellen Membranen verlangen den Einsatz abgepufferter Reiniger.
  • Ultrafiltrationsmembranen vertragen in der überwiegenden Zahl Temperaturen bis 55°C, bei RO und NF Membranen liegen diese bei 45°C. Ein Überschreiten der Temperatur kann zur Beschädigung der Membranen führen.
  • Spezielle Membranen wie z.B. die HpHT Membranen von Koch Membrane Systems (KMS) sind während des Reinigungsprozesses bis zu 85°C ohne Beeinflussung beständig.
  • Der im Membrandatenblatt vorgegebene Filtrationsdruck darf ebenfalls nicht überschritten werden. Die meisten handelsüblichen  RO und NF Membranen sind gegenüber Oxidationsmitteln nicht stabil. Hier darf kein Chlor oder Aktivsauerstoff eingesetzt werden. Für andere Membranen ist eine maximale ppm Chlorkonzentration angegeben, die nicht überschritten werden darf.

 

Aus diesen Angaben ergibt sich das mögliche Reinigungsverfahren.

Stand der Technik heute ist - Membrananlagen entweder enzymatisch (z.B. mit einem enzymhaltigen KOCHKLEEN™ Produkt in Verbindung  mit einem alkalischen KOCHKLEEN™ Produkt, bei einer Chlorreinigung (z.B. ein chloralkalisches KOCHKLEEN™ Produkt) oder rein alkalisch und sauer mit den dementsprechenden KOCHKLEEN™ Produkten zu reinigen.

Eine enzymatische Reinigung wird allgemein als sehr kostenintensiv bezeichnet, bei optimaler Dosierung der Reinigungsmittel ist dies allerdings auszuschließen. Weitestgehend ist eine enzymatische Reinigung am schonendsten für die Membranen. Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen werden daher oftmals enzymatisch gereinigt.

Eine Chlorreinigung stellt bei den Grundstoffkosten die günstigste Reinigung dar. Bei Durchführung einer Chlorreinigung müssen allerdings regelmäßige Kontrollen der freien Chlorkonzentration durchgeführt werden. Hier gibt der Membranhersteller Grenzwerte vor, die nicht überschritten werden dürfen.

Das Chlor als Oxydationsmittel verringert die Membranlebenszeit, bei Chlor Überdossage kommt es letztendlich zur Zerstörung der Membran.

Der tatsächliche Reinigungsmittelverbrauch während der Chlorreinigung ist oftmals so hoch, dass eine enzymatische Reinigung durchaus preiswerter sein kann.

Eine rein alkalische und saure Reinigung erreicht jedoch häufig nicht die notwendigen und möglichen Wasser-Fluxwerte nach der Reinigung, es sei denn, es werden höhere Temperaturen (s.o) und entsprechende Membranen eingesetzt.

2.Schrittkette bei enzymatischer Reinigung der Membrane

Vorspülschritte

  1. Der Vorspülschritt dient der vollständigen Entfernung von Produktresten, die mit Wasser ausspülbar sind. Eventuelle Rückstände beeinflussen den Reinigungsablauf negativ durch vermehrten Verbrauch des Reinigungsmittels. Desweiteren sind durch Reinigungsmittel denaturierte Produktreste nur schwer zu lösen.
  2. Die anschließende mildalkalische Vorreinigung mit z.B. einem alkalischen KOCHKLEEN™ Produkt komplexiert einen Großteil der noch in der Anlage verbliebenen Produktreste. Die alkalische Vorreinigung wird in Temperatur und Konzentration so eingestellt, dass möglichst wenig Denaturierung des Produktes stattfindet (ähnlich dem Prinzip der Frischkäse-Separatoren - Reinigung).
  3. Nach ca. 15 bis 20 Minuten Zirkulation des mildalkalischen Vorreinigungsschrittes wird die Anlage mit ausreichend Wasser ausgespült.

    Um die Enzymaktivität während des enzymatischen Reinigungsschrittes optimal zu nutzen, sollte wie folgt vorgegangen werden:

    3a  Einstellung des pH - Wertes und der Temperatur der Reinigungslösung auf das Wirkungsoptimum des KOCHKLEEN™ Enzymproduktes mit einem alkalischen  KOCHKLEEN™ Produkt.

    3b  Nach Erreichen stabiler Werte wird das Enzym zudosiert. Das Enzym dient der weiteren Aufspaltung der Eiweißrückstände. Eventuelle Fettrückstände werden mit Komplexbildnern gebunden und ausspülbar gestaltet. Die Reinigungszeit im Enzymschritt beträgt mindestens 45 Minuten.
  4. Durch Zusatz von einem aktivsauerstoffhaltigen Additiv wird das Enzym deaktiviert und zusätzlich durch die Aktivsauerstoffreaktion die Reinigungswirkung verstärkt. Zu beachten ist, dass nur für Oxidationsmittel freigegebene Membranen so behandelt werden dürfen.
  5. Nach ca. 15 Minuten Zirkulation wird die enzymatische Lösung mit ausreichend Wasser rückstandslos aus der Anlage gespült.
  6. Ein saurer Reinigungsschritt z.B. mit einem sauren KOCHKLEEN™ Produkt sollte bei hoher Wasserhärte täglich durchgeführt werden. Ansonsten reicht ein wöchentlicher saurer Reinigungsschritt. Die meisten Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsmembranen können mit abgepufferten salpetersäurehaltigen Reinigern gespült werden.

    Nano-Filtrationsmembranen und Umkehrosmosemembranen benötigen für die saure Reinigung phosphorsäurehaltiger Reiniger. Während des sauren Reinigungsschrittes ist es wichtig, dass der im Membrandatenblatt angegebene pH - Wert nicht unterschritten wird. Ein zu tiefer pH - Wert führt zur Versprödung der Membran. Die Reinigungstemperatur liegt je nach Membran bei <45°C. Die saure Reinigungslösung wird 30 Minuten zirkuliert. Anschließend wird mit ausreichend Wasser nachgespült.
  7. Als letzter Reinigungsschritt wird häufig ein alkalischer Entspannungsschritt mit einem KOCHKLEEN™ Produkt durchgeführt.

    Je nach Membrantyp wird jetzt z.B. bei einer HpHT Membran von KMS mit 75 bis 80°C zirkuliert. Durch die erhöhte Temperatur weitet sich der Kunststoff. Dadurch werden eventuell verstopfte Poren frei. Zusätzlich entspannt sich die Membran durch die Anhebung des pH - Wertes.
  8. Nach restloser Entfernung der Reinigungslösung wird der Wasser-Flux ermittelt. Dieser sollte nach Reinigung minimal 80% des Wasser-Fluxes der Neumembran betragen. Bei nicht Erreichen muss eine erneute Reinigung durchgeführt werden.
  9. Durch Zusatz einer mildsauren Speziallösung z.B. eines KOCHKLEEN™ Konservierungsmittels wird die Membran für eine längere Stillstandszeit konserviert. Zur Desinfektion vor der nächsten Produktion wird dann nur eine verkürzte Reinigung (z.B. nur ein Entspannungsschritt siehe Punkt 7) durchgeführt. Oxidationsmittelstabile Membranen können alternativ auch mit einem aktivsauerstoffhaltigen Additiv  gespült werden.